Взаємозв'язок електричних і магнітних полів
Це відкриття наводило на думку про те, що з електричного струму можна отримати магнітне поле. Але разом з тим виникали думки і з приводу зворотного перетворення, а саме, як з магнітного поля отримати електричний струм. Адже багато процесів в природі оборотні: з води виходить лід, який можна знову розтопити в воду.
Зараз це нікого вже не дивує. Саме так працюють всі електричні генератори, - поки його чимось обертають, електроенергія виробляється, лампочка світить. Зупинили, перестали обертати, і лампочка згасла.
Таким чином, ЕРС на кінцях провідника виникає лише в тому випадку, якщо його певним чином переміщати в магнітному полі. Або, точніше кажучи, магнітне поле обов'язково має змінюватися, бути змінним. Це явище отримало назву електромагнітної індукції, по-російськи електромагнітне наведення: в цьому випадку говорять, що в провіднику наводиться ЕРС. Якщо до такого джерела ЕРС підключити навантаження, то в ланцюзі буде протікати струм.
Величина наведеної ЕРС залежить від декількох факторів: довжини провідника, індукції магнітного поля B, і в чималому ступені від швидкості переміщення провідника в магнітному полі. Чим швидше обертати ротор генератора, тим напруга на його виході вище.
Зауваження: електромагнітну індукцію (явище виникнення ЕРС на кінцях провідника в змінному магнітному полі) не слід плутати з магнітною індукцією - векторної фізичною величиною характеризує власне магнітне поле.
Три способи отримання ЕРС
Цей спосіб був розглянутий в першій частині статті. Досить переміщати провідник в магнітному полі постійного магніту, або навпаки переміщати (практично завжди обертанням) магніт близько провідника. Обидва варіанти однозначно дозволять отримати змінне магнітне поле. В цьому випадку спосіб отримання ЕРС називається індукцією. Саме індукція використовується для отримання ЕРС в різних генераторах. У дослідах Фарадея в 1831 році магніт поступально переміщався всередині котушки дроти.
Ця назва говорить про те, що в цьому явищі беруть участь два провідника. В одному з них протікає змінюється струм, який створює навколо нього змінне магнітне поле. Якщо поруч знаходиться ще один провідник, то на його кінцях виникає змінна ж ЕРС.
Такий спосіб отримання ЕРС називається взаимоиндукцией. Саме за принципом взаємоиндукції працюють всі трансформатори, тільки провідники у них виконані у вигляді котушок, а для посилення магнітної індукції застосовуються сердечники з феромагнітних матеріалів.
Якщо струм в першому провіднику припиниться (обрив ланцюга), або стане нехай навіть дуже сильним, але постійним (немає ніяких змін), то на кінцях другого провідника ніякої ЕРС отримати не вдасться. Ось чому трансформатори працюють тільки на змінному струмі: якщо до первинної обмотці підключити електричну батарейку, то на виході вторинної обмотки ніякої напруги однозначно не буде.
ЕРС у вторинній обмотці наводиться тільки при зміні магнітного поля. Причому, чим сильніше швидкість зміни, саме швидкість, а не абсолютна величина, тим більше буде наведена ЕРС.
Якщо прибрати друге провідник, то магнітне поле в першому провіднику буде пронизувати не тільки навколишній простір, але і сам провідник. Таким чином, під впливом свого поля в провіднику наводиться ЕРС, яка називається ЕРС самоіндукції.
Явища самоіндукції в 1833 році вивчав російський вчений Ленц. На підставі цих дослідів вдалося з'ясувати цікаву закономірність: ЕРС самоіндукції завжди протидіє, компенсує зовнішнє змінне магнітне поле, яке викликає цю ЕРС. Ця залежність називається правилом Ленца (не плутати з законом Джоуля - Ленца).
Знак «мінус» у формулі як раз і говорить про протидію ЕРС самоіндукції причин її породив. Якщо котушку підключити до джерела постійного струму, струм буде зростати досить повільно. Це дуже помітно при «прозвонке» первинної обмотки трансформатора стрілочним омметром: швидкість руху стрілки в сторону нульового розподілу шкали помітно менше, ніж при перевірці резисторів.
При відключенні котушки від джерела струму ЕРС самоіндукції викликає іскріння контактів реле. У разі, коли котушка управляється транзистором, наприклад котушка реле, то паралельно їй ставиться діод в зворотному напрямку по відношенню до джерела живлення. Це робиться для того, щоб захистити напівпровідникові елементи від впливу ЕРС самоіндукції, яка може в десятки і навіть сотні разів перевищувати напругу джерела живлення.
Для проведення дослідів Ленц сконструював цікавий прилад. На кінцях алюмінієвого коромисла закріплені два алюмінієвих ж кільця. Одне кільце суцільне, а в іншому був зроблений пропил. Коромисло вільно оберталося на голці.
При введенні постійного магніту в суцільне кільце воно «тікало» від магніту, а при виведенні магніту прагнуло за ним. Ті ж самі дії з розрізаним кільцем ніяких рухів не викликали. Це пояснюється тим, що в суцільному кільці під впливом змінного магнітного поля виникає струм, який створює магнітне поле. А в розімкнутому кільці струму немає, отже, немає і магнітного поля.
Важлива деталь цього досвіду в тому, що якщо магніт буде введений в кільце і залишиться нерухомим, то ніякої реакції алюмінієвого кільця на присутність магніту не спостерігається. Це зайвий раз підтверджує, що ЕРС індукції виникає лише в разі зміни магнітного поля, причому величина ЕРС залежить від швидкості зміни. В даному випадку просто від швидкості переміщення магніту.
Те ж можна сказати і про взаємоіндукції і самоіндукції, тільки зміна напруженості магнітного поля, точніше швидкість його зміни залежить від швидкості зміни струму. Для ілюстрації цього явища можна навести такий приклад.
Нехай через дві чималі однакові котушки проходять великі струми: через першу котушку 10А, а через другу цілих 1000, причому в обох котушках струми лінійно зростають. Припустимо, що за одну секунду ток в першій котушці змінився з 10 до 15А, а в другій з 1000 до 1001А, що викликало появу ЕРС самоіндукції в обох котушках.
Але, незважаючи на таке величезне значення струму в другій котушці, ЕРС самоіндукції буде більше в першій, оскільки там швидкість зміни струму 5А / сек, а в другій за все 1А / сек. Адже ЕРС самоіндукції залежить від швидкості зростання струму (читай магнітного поля), а не від його абсолютної величини.
Магнітні властивості котушки з струмом залежать від кількості витків, геометричних розмірів. Значного посилення магнітного поля можна домогтися введенням в котушку феромагнітного сердечника. Про магнітних властивостях котушки з достатньою точністю можна судити за величиною ЕРС індукції, взаємоіндукції або самоіндукції. Всі ці явища були розглянуті вище.
Характеристика котушки, яка розповідає про це, називається коефіцієнтом індуктивності (самоіндукції) або просто індуктивністю. У формулах індуктивність позначається буквою L, а на схемах цієї ж буквою позначаються котушки індуктивності.
Одиниця виміру індуктивності - генрі (Гн). Індуктивністю 1Гн володіє котушка, в якій при зміні струму на 1А в секунду виробляється ЕРС 1В. Це величина досить велика: индуктивностью в один і більше Гн мають мережеві обмотки досить потужних трансформаторів.
Тому досить часто користуються величинами меншого порядку, а саме мілі і мікро генрі (мГн і мкГн). Такі котушки застосовуються в електронних схемах. Одне із застосувань котушок - коливальні контуру в радиоустройствах.
Також котушки використовуються в якості дроселів, основне призначення яких пропустити без втрат постійний струм при цьому послабивши змінний (фільтри в джерелах живлення). Як правило, чим вище робоча частота, тим меншою індуктивності потрібні котушки.
Якщо взяти досить потужний мережевий трансформатор і поміряти мультиметром опір первинної обмотки, то виявиться, що воно всього декілька Ом, і навіть близько до нуля. Виходить, що струм через таку обмотку буде дуже великим, і навіть прагнути до нескінченності. Здається, коротке замикання просто неминуче! Так чому ж його немає?
Одним з основних властивостей котушок індуктивності є індуктивний опір, яке залежить від індуктивності і від частоти змінного струму, який підведений до котушки.
Неважко бачити, що зі збільшенням частоти і індуктивності індуктивний опір збільшується, а на постійному струмі взагалі стає рівним нулю. Тому при вимірюванні опору котушок мультиметром вимірюється тільки активний опір проводу.
Конструкція котушок індуктивності досить різноманітна і залежить від частот, на яких працює котушка. Наприклад, для роботи в дециметровому діапазоні радіохвиль досить часто використовуються котушки, виконані друкованим монтажем. При масовому виробництві такої спосіб дуже зручний.
Індуктивність котушки залежить від її геометричних розмірів, сердечника, кількості шарів і форми. В даний час випускається достатня кількість стандартних котушок індуктивності схожих на звичайні резистори з висновками. Маркування таких котушок виконується кольоровими кільцями. Також існують котушки для поверхневого монтажу, застосовувані в якості дроселів. Індуктивність таких котушок становить кілька міллігенрі.